![]()
GaN HEMTは、今日のシリコンに基づくソリューションより高いエンドツーエンド効率を達成するパワーコンバータを実証するための手段であり、サーバやクラウドデータセンター向けの80+規格、あるいはUSB PD対応の外部アダプタ向けのEU行動規範ティア2基準など、最も厳しい基準をはるかに上回ります。
従来のシリコンに基づくスイッチ技術は、高速かつ低損失のスイッチングにより理想に近い性能をアピールしてきました。GaNデバイスはさらに理想的ですが、そのままシリコンの置き換えとしては使用できません。この技術の潜在的なメリットを最大限に活かすためには、慎重な基板レイアウトとともに、外部の駆動回路をGaNデバイスに整合させる必要があります。
○GaNスイッチとシリコンスイッチの比較
シリコン(Si)スイッチと比べると、効率の高さはエンハンスメントモードGaNの最も重要な潜在的メリットです。もう一方のデプレッションモードとは異なり、エンハンスメントモードGaNは、ノーマリーオフのデバイスであるため、デバイスをオンにするには正のゲート駆動電圧が必要です。エンハンスメントモードGaNの効率が高いのは、デバイスの容量が低いこととGaNは逆方向に電流を流すことができる(第3象限)が逆回復電荷はゼロであることに由来しており、これは「ハードスイッチング」のアプリケーションにおける主要なメリットです。
ゲート-ソース間およびゲート-ドレイン間の容量が低いため、総ゲート電荷量が低くなり、高速なゲートスイッチングとゲートドライバの低消費電力化が可能になります。また、出力容量が低いため、ターンオフ損失が低くなります。
しかし、実用上のGaN性能を損なう可能性があるその他の相違点として、ドレイン-ソース/ゲートアバランシェ耐量が無いこと、絶対最大ゲート電圧が比較的低くSi MOSFETが約+/-20Vであるのに対してGaNは通常+/-10Vしかないことです。
さらに、GaNのターンオンスレッショルド(VGTH)は約1.5Vですが、これはSi MOSFETの約3.5Vよりはるかに低い値です。外部の駆動回路および負荷回路によってソースとゲート電圧を確実に制御できれば、スイッチング周波数を数百kHz～MHzの領域に上昇させて高い効率を維持できるため、磁気部品やコンデンサを小型化して高い電力密度(W/in3)を達成できます。
○性能の鍵となるGaNのゲート駆動
ゲート駆動電圧を絶対最大定格の範囲内に維持することだけが必要条件ではありません。最高速のスイッチングを実現するには、通常のGaNデバイスでは、過剰なゲート駆動電力を消費することなく、完全にエンハンスメント状態にするために約+5.2Vの最適なVG(ON)値まで駆動する必要があります。ドライバの電力PDは、次式で与えられます。
PD ＝ VSW・f・QGTOT
ここで、VSWはゲート電圧の全振幅、fはスイッチング周波数、QGTOTは全ゲート電荷です。GaNのゲートは実質的に容量性ですが、電力はゲートの有効直列抵抗とドライバで消費されます。そのため、特に周波数が非常に高い場合には、電圧振幅を最小限に維持することが重要です。QGTOTは、GaNでは通常数nCで、同等定格のSi-MOSFET値の10分の1程度であり、これがGaNが高速にスイッチングできる理由のひとつです。GaNデバイスは電荷で制御され、ナノクーロンのゲート電荷でナノ秒のスイッチングに対しては、ピーク電流はアンペアオーダーになるため、ドライバは正確な電圧を維持しながらこの電流を供給しなければなりません。
理論的には、GaNデバイスはVGS=0で確実にオフになりますが、現実には最良のゲートドライバでさえ、ゲートに直接0Vを印加しないことがあります。ゲート駆動のループに共通なソースに何らかの直列インダクタンスLが存在すると、VOPP=-L di/dtの式に従って逆向きの電圧VOPPがゲート駆動に発生し、ソースのdi/dtが高い場合には偽のターンオンが起こる可能性があります(図1)。
オフ状態のdV/dtによりデバイスの「ミラー」容量に電流が流れ、同一効果が生じる可能性がありますが、GaNではこの効果は無視できます。約-2Vあるいは-3Vの負のゲートオフ電圧を供給するソリューションがありますが、これはゲート駆動回路が複雑になるため、基板レイアウトを慎重に行ない、「ケルビン接続」を備えたデバイスを使用し、薄型のリードレスPQFNタイプなどでパッケージのインダクタンスを最小限に抑えることによって回避できます。
○ハイサイドゲート駆動の課題
GaNデバイスは、必ずしもすべてのトポロジに対して最適というわけではなく、ほとんどの「シングルエンド」フライバックおよびフォワードタイプなど、逆方向の伝導が発生せず、どんな小さな効率上のメリットよりもSi-MOSFETを超える余分なコストのほうが重要な場合には適していません。
しかし、トーテムポールブリッジレスPFC、LLCコンバータ、および
![]()
アクティブクランプ・フライバックなどの「ハーフブリッジ」は、ハードスイッチングかソフトスイッチングかにかかわらず、GaNの特性に適したトポロジです。
これらのトポロジはすべて、ソースがスイッチングノードである「ハイサイド」スイッチを備えているため、ゲート駆動はナノ秒単位のエッジを持つ高電圧かつ高周波の波形によってグランドからオフセットされています。このゲート駆動信号は、システムグランドを基準とするコントローラから送出されるため、ハイサイドドライバは通常450V以上の適切な耐圧定格を備えたレベルシフタを内蔵していなければなりません。
ハイサイド駆動には、通常ブートストラップダイオードとコンデンサの回路網を備え、スイッチングノードを基準とする低電圧電源レールを生成する手段も必要です。スイッチング波形のdV/dtによりドライバがストレスを受けますが、GaNの場合はその値が100V/nsを超える可能性があります。これによって変位電流が誘起され、ドライバを通じてグランドに流れ、直列抵抗と接続インダクタンスの両端に過渡電圧が発生し、影響を受けやすい差動のゲート駆動電圧を乱す可能性があります。そのため、ドライバは強いdV/dt耐性を備えている必要があります。
破壊につながる「シュートスルー」に対する耐性と効率を最大化するには、ハーフブリッジのハイサイドとローサードのデバイスを、デッドタイムを最小限に抑えながら決してオーバーラップすることがないように駆動する必要があります。したがって、ハイサイドおよびローサードのドライバを適切に制御して伝搬遅延を一致させる必要があります。
ローサイドに対しては、ドライバのグランドはスイッチのソースに直接接続し、ケルビン接続で共通インダクタンスの発生を回避する必要があります。ドライバにも信号グランドがあるため、この点への接続が最適とはいえず、この方法が問題となる可能性があります。このため、ローサイドドライバには、電源と信号のグランドを分離するためのアイソレーションあるいはある程度のコモンモード電圧耐性を備えた何らかの方法を装備することもできます。
○GaNドライバに必要な安全アイソレーション
低電圧アプリケーションが増えているとはいえ、デバイスとドライバの両方に600V以上の高い電圧定格を必要とするオフラインアプリケーションに対しては、現在エンハンスメントモードのGaNデバイスが最大の注目を集めています。通信インタフェースを介して、人がアクセス可能な接続を備えたコントローラでドライバの入力信号を生成する場合、このドライバには関連規定に適合した安全なアイソレーションが必要となります。これは適切なアイソレーション電圧を有する高速信号ガルバニックアイソレータによって実現できます。AC-DCコンバータでは多くの場合、コントローラ回路を「一次基準」とすることがよくありますが、これらの構成ではドライバの信号エッジレートとハイサイドおよびローサイドのマッチングが問題となります。
○アプリケーション事例 - 「
![]()
アクティブクランプ・フライバック」
これはアクティブクランプフライバックトポロジの一例(図2)で、ハイサイドスイッチを用いてコンバータのトランスの漏れインダクタンスからエネルギーを再循環し電源に戻します。
「スナバ」やハードツェナークランプによる方法と比べ、45W～150Wの低電力アプリケーション向け回路では、効率が高く、EMIは良好で、ドレイン波形がクリーンです。代表的なアプリケーションには、USB PD対応の携帯電話やノートPC用のトラベルアダプタ、組み込み電源などがあります。
図2に、
![]()
オン・セミコンダクターの専用GaNゲートドライバ「NCP51820」を、
![]()
アクティブクランプ・フライバックコントローラ「NCP1568」(詳細は省略)とともに示します。このドライバは、ハイサイド、ローサイドともにレギュレートされた、エンハンスメントモードGaNに最適な+5.2V振幅のゲートドライバを備えています。
ハイサイドに-3.5V～+650V、ローサイドに-3.5～+3.5Vのコモンモード電圧範囲、および200V/nsのdv/dt耐性も備えており、これらは先進のジャンクションアイソレーション技術により可能となりました。ローサイド駆動用にレベルシフタを備えているため、ローサイドデバイスのソースに電流検出抵抗がある場合は、容易にケルビン接続ができます。ドライバ波形の立ち上がり、立ち下がり時間は1ns、最大伝搬遅延は50nsで、ハイサイドとローサイドには独立したソースおよびシンク出力があるため、ゲート駆動のエッジを調整してEMIと効率のバランスを最適化することができます。このトポロジにおいて、ハイサイドおよびローサイドの駆動はオーバーラップしませんが、異なるパルス幅を備えているためNCP1568デバイスによって制御されるドレインクランプやゼロ電圧スイッチングを用いた電力変換やレギュレーションを実現できます。
○アプリケーション事例 - 「LLCコンバータ」
150Wを超える高電力では、効率を向上させスイッチへの電圧ストレスを抑えるために、共振LLCコンバータがよく使用されます。このコンバータの特徴は、駆動波形がそれぞれ50%のデューティサイクルであり、周波数を変化させてレギュレーションを実現することです。
そのため、オーバーラップが絶対に発生しないようデッドタイムを制御することが不可欠です。図3は、高性能LLCコントローラ「NCP13992」による代表的な配置を示しています。この設計は、500kHzのスイッチング周波数で動作可能なため、一般に高性能ゲーミングアダプタやOLEDテレビや
![]()
オールインワンPC向けの組み込み電源に採用されています。
図中の
![]()
オン・セミコンダクター製ドライバ「NCP51820」は、ゲート駆動がオーバーラップしないように設計されていますが、オーバーラップが必要なトポロジ(電流形コンバータなど)に対しては、これを無効にすることができます。このデバイスはイネーブル入力および電源電圧低下と温度超過に対する総合的な保護機能も備えています。4mm×4mm、15ピンのPQFNパッケージに収納されているため、GaNデバイスのゲートに短く低インダクタンスで接続できます。
○基板レイアウトの配慮
どんなアプリケーショにおいても、目標性能を達成するためには基板レイアウトが重要です。図4は、
![]()
オン・セミコンダクターの「NCP51820」によりゲートドライバループを最小にし、かつ整合させるレイアウト例を示しています。GaNデバイスとドライバをプリント基板の同一面に配置し、グランドプレーンやリターンプレーンを適切に使用してビアに大電流が流れないようにしています。
○まとめ
GaNスイッチでは、実際のアプリケーションにおいて動作信頼性を確保し、効率と電力密度を確実に向上させるために、ゲート駆動回路を注意深く設計する必要があります。慎重なレイアウトと併せて、ハイサイドおよびローサイド駆動に多彩な機能を備えたNCP51820などの専用ドライバを使用することにより、GaNデバイスの性能を最大限に引き出すことができます。
著者プロフィール
ジョセフ・ノタロ
![]()
オン・セミコンダクター。
バイスプレジデント、ワールドワイドオートモーティブ・ストラテジー＆ビジネスデベロップメント
![]()
オン・セミコンダクターのワールドワイドオートモーティブ ストラテジー＆ビジネスデベロップメント担当のバイスプレジデントとして、エグゼクティブチームおよびビジネスユニットと密接に連携して、自動車の最終市場に対する企業戦略の定義に責任を持つストラテジックマーケティングのグループを率いている。
TVアニメ『この音とまれ！』より、10月から放送開始となる第2クールのオープニング／エンディングテーマを担当するアーティストが発表された。
北海道テレビにてそれぞれ放送スタート。また、WOWOWでは10月より全話無料にて放送予定となっている。各詳細はアニメ公式サイトにて。
今回はオン
映画『HiGH&LOW THE WORST』(10月4日公開)の本ポスタービジュアル、および本予告が1日に公開された。
きょう1日に放送される
GaN HEMTは、今日のシリコンに基づくソリューションより高いエンドツーエンド効率を達成するパワーコンバータを実証するための手段であり、サーバやクラウドデータセンター向けの80+規格、あるいはUSB PD対応の外部アダプタ向けのEU行動規範ティア2基準など、最も厳しい基準をはるかに上回ります。
2019年4月、政府は2024年を目途に紙幣のデザインを刷新すると発表しました。20年ぶりに代わる「お札の顔」。一万円札は「渋沢栄一」、五千円札は「津田梅子」、千円札は「北里柴三郎」に決まりましたが、みなさんは3人のことをどれくらい知っていますか。本稿では、一万円札の新しい顔となる渋沢栄一について解説します。
Microsoftは7月29日(米国時間)、「Windows 10 Tip: Emoji 12 ????✨????｜Windows Experience Blog」において、Windows 10で絵文字を入力する方法を紹介した。
マイボイスコムは7月31日、第7回「ストレスに関するアンケート調査」の結果を発表した。調査期間は2019年7月1～5日、有効回答は10～70代の個人10,180人。
ISC 2019において「InfiniBand in-Network Computing Technology and Roadmap」というセッションがあり、その中でMellanoxが集合通信を高速化する「SHARP(Scalable Hierarchical Aggregation and Reduction Protocol)」について発表を行った。SHARP自体は2017年に発表されており今回の発表が新規ではないが、ネットワークの高性能化という点では重要な技術である。
東京スカパラダイスオーケストラが8月7日にリリースする、ゲストボーカルにロックバンド・Mr.Childrenの桜井和寿を迎えたデビュー30周年記念の“歌モノ”シングル「リボン feat. 桜井和寿(Mr.Children)」。このほどティザー映像の第2弾が、YouTubeに公開された。
ときどき届くソフトウェアアップデート、ファイルサイズを見ると結構な大きさに驚かされることがあります。たとえば、2019年7月下旬に公開された「iOS 12.4」は、新旧iPhone間で直接データを転送する機能が追加されたこと以外は、目立つ新機能が見当たりません。それで385.4メガバイト(iPhone Xの場合)とはいかにも大きすぎる、ほかにも理由があるのでは? と考えても無理はないでしょう。
○東芝メモリが"キオクシア"に社名を変更
SAS Institute Japanは7月31日、ストリーミング・データの分析ソリューションの最新版「SAS Analytics for IoT 7.1」をリリースしたと発表した。
セールスフォース・ドットコムは7月31日、2018年8月にセールスフォース・ドットコムの傘下に入ったマーケティング・
今年も暑い夏がやってくる。熱中症や食中毒が心配されるこの季節。ステンレス製のマグカップやタンブラーが活躍する場面も増えることだろう。そんな中、サーモスが新製品を発表。ケータイマグの新色がでたり、人気のタンブラーが持ち運び可能になったりと、注目商品が目白押し。本稿では、同社が先日都内で開催した記者説明会の模様をお伝えしていきたい。
Wordで文書を作成する際に、初心者が最初につまづく操作のひとつが画像の配置である。Wordに慣れている方でも、画像が配置される仕組みをよく理解できていないまま文書を作成している場合もある。そこで今回は、「画像」と「本文」の関係を決める「文字列の折り返し」について解説していこう。
「仮面ライダー」最新作として発表されている『仮面ライダーゼロワン』より、変身ベルトなりきり玩具「DX飛電ゼロワンドライバー」(7,538円/税込)の先行抽選販売が行われる。プレミアム